Изотопы ксенона расскажут о химическом составе архейского воздуха

Геологи провели анализ изотопного состава ксенона в органических включениях горных пород возрастом три миллиарда лет и показали, что его можно использовать в качестве дополнительного способа определения возраста минералов. Кроме того, в отличие других инертных газов, соотношение концентраций изотопов ксенона поможет значительно уточнить химический состав атмосферы Земли в архее, пишут ученые в Science Advances.

Известно, что глобальное изменение состава атмосферы и насыщение кислородом произошло лишь 2,4 миллиарда лет назад. До этого концентрация кислорода в воздухе была намного меньше, и характер атмосферы был восстановительным, а не окислительным. Для определения точного химического состава атмосферы Земли на ранних этапах своего развития обычно используют анализ химического состава древних минералов. Именно по нему можно определить состав атмосферы, например, в тот момент, когда на Земле зарождалась жизнь или происходило перемещение континентов. Тем не менее, количество атмосферных газов, которые в виде отдельных небольших включений можно найти в горных породах, очень невелико, поэтому каждые новые данные и предложенные методы анализа очень ценны и могут привести к значительным уточнениям химического состава атмосферы древней Земли.

Геологи из Франции и США под руководством Давида Бекара (David V. Bekaert) из Университета Лотарингии обнаружили, что для уточнения атмосферного состава архейской атмосферы можно использовать изотопный состав ксенона, который можно обнаружить, например, в образцах кварцита возрастом три миллиарда лет, найденных в западной Австралии.

Из кварцита геологи выделили небольшие образцы керогена — это изолированные нерастворимые включения органического происхождения. Поскольку одним из источников углерода для керогена могут быть органические вещества биологического происхождения, то его пытаются использовать, в частности, для исследования ранних этапов эволюции жизни. Отдельная проблема при исследовании этих органических включений состоит в том, что их возраст может не соответствовать возрасту основной породы, и чтобы доказать это соответствие, нужны дополнительные методы.

Данные об изотопном составе ксенона и других инертных газов ученые измерили для керогена, полученного из минералов различного возраста, образованных в течение архея. Оказалось, что изотопный состав ксенона в минералах возрастом три миллиарда лет сильно отличается от соотношения изотопов в современной атмосфере: минералы содержат заметно меньше тяжелых изотопов ^131-136Xe и больше легких изотопов ^124-129Xe. При этом постепенное изменение изотопного состава началось еще в архее и продолжилось в более поздние эпохи, поэтому его анализ можно использовать в качестве одного из альтернативных методов датировки и определения возраста горных пород. Ученые отмечают, что для других инертных газов: аргона и криптона — такой зависимости не наблюдается.

Чтобы объяснить, почему ксенон в течение такого долгого времени оставался жестко зафиксирован в структуре минерала, ученые также предложили механизм захвата газа, основанный на взаимодействии ксенона с органическими молекулами, входящими в состав керогена. 

Авторы работы отмечают, что полученные результаты позволят не только произвести значительно более точную датировку минералов, но и, благодаря связи концентрации ксенона в атмосфере с ее химическим составом, помогут сильно уточнить ее состав на разных этапах эволюции Земли.

Химический состав воздуха на ранней Земле определял условия для синтеза на Земле нуклеозидов, необходимых для зарождения жизни. Именно атмосферный состав, наряду с более и менее вероятными источниками необходимых для этого веществ ограничивает возможные пути появления на Земле молекул нуклеиновых кислот. Интересно, что для подавляющего большинства предложенных механизмов, источником тех или иных веществ считают метеориты — этими веществами могут быть азотистые основания, или, например, формамид.

Александр Дубов